14.1: Cos'è l'espressione genica?

Panoramica

L'espressione genica è il processo in cui il DNA dirige la sintesi di prodotti funzionali, come le proteine. Le cellule possono regolare l'espressione genica in varie fasi. Consente agli organismi di generare diversi tipi di cellule e consente alle cellule di adattarsi a fattori interni ed esterni.

Informazioni genetiche Flussi dal DNA all'RNA alle proteine

Un gene è un tratto di DNA che funge da modello per gli RNA funzionali e le proteine. Poiché il DNA è costituito da nucleotidi e proteine costituite da aminoacidi, è necessario un mediatore per convertire le informazioni codificate nel DNA in proteine. Questo mediatore è l'RNA messaggero (mRNA). l'mRNA copia il progetto dal DNA attraverso un processo chiamato trascrizione. Negli eucarioti, la trascrizione avviene nel nucleo mediante l'abbinamento di base complementare con il modello di DNA. L'mRNA viene quindi elaborato e trasportato nel citoplasma dove funge da modello per la sintesi proteica durante la traduzione. Nei procati, che non hanno un nucleo, i processi di trascrizione e traduzione si verificano nella stessa posizione e quasi simultaneamente poiché l'mRNA appena formato è suscettibile di rapida degradazione.

L'espressione genica può essere regolata in qualsiasi fase durante la trascrizione

Ogni cellula di un organismo contiene lo stesso DNA, e di conseguenza lo stesso insieme di geni. Tuttavia, non tutti i geni in una cellula sono "accesi" o utilizzati per sintetizzare le proteine. Si dice che un gene sia "espresso" quando la proteina che codifica è prodotta dalla cellula. L'espressione genica è regolata per garantire la corretta generazione di proteine in cellule specifiche in momenti specifici. Vari meccanismi intrinseci ed estrinseci regolano l'espressione genica prima e durante la trascrizione.

La struttura della cromatina, il DNA compattato e le proteine itoni associate, può essere modificata chimicamente per essere aperta o chiusa. Tali modifiche consentono o limitano l'accesso del meccanismo trascrizionale al DNA. La modifica della cromatina è un meccanismo intrinseco impiegato durante lo sviluppo per formare diversi tipi di cellule (ad esempio, neurone contro cellula muscolare) dallo stesso genoma.

Le proteine che legano il DNA, chiamate fattori di trascrizione, regolano la trascrizione legandosi a specifiche sequenze di DNA vicino o all'interno delle regioni di codifica dei geni. I fattori di trascrizione che promuovono l'avvio della trascrizione sono chiamati attivatori. Le proteine che impediscono al meccanismo di trascrizione di legarsi al sito di avvio della trascrizione sono chiamate repressori. Attivatori trascrizionali o repressori rispondono a stimoli esterni come molecole di segnalazione, carenze nutrizionali, temperatura e ossigeno.

L'espressione genica può essere regolata post-transcripzionalmente e post-traduzione

L'espressione genica può essere regolata dall'elaborazione dell'mRNA post-trascrizione. Negli eucarioti, l'mRNA trascritto subisce lo splicing e altre modifiche che proteggono le estremità del filamento di RNA dalla degradazione. Lo splicing rimuove gli introni, ovvero i segmenti che non codificano le proteine, e unisce le regioni codificanti delle proteine chiamate esoni. Lo splicing alternativo consente l'espressione di proteine funzionalmente diverse dallo stesso gene. La regolazione dell'espressione genica mediante lo splicing alternativo svolge un ruolo importante nello sviluppo degli organi, nella sopravvivenza e nella proliferazione delle cellule e nell'adattamento ai fattori ambientali.

L'espressione genica può anche essere alterata regolando la traduzione dell'mRNA nelle proteine. La traduzione può essere regolata da microRNA (piccoli RNA non codificanti) che si legano a una specifica sequenza di mRNA e bloccano l'avvio della traduzione o degradano l'mRNA trascritto. Inoltre, le proteine chiamate repressori traslazionali possono legarsi all'RNA e interferire con l'avvio della traduzione.

I polipeptidi tradotti vengono sottoposti a elaborazione per formare proteine funzionali. L'aggiunta o la rimozione di gruppi chimici può alterare l'attività, la stabilità e la localizzazione delle proteine in una cellula. Ad esempio, l'aggiunta o la rimozione di gruppi di fosforolo (–PO₃^2-) può attivare o disattivare le proteine. Allo stesso modo, l'aggiunta di gruppi di ubiquitina provoca degradazione delle proteine. Pertanto, le modifiche delle proteine post-traduzionali sono la fase finale della regolazione genica.

- [Narratore] Praticamente ogni cellula del corpo

contiene l'intero genoma,

ma solo alcuni geni

vengono effettivamente espressi in proteine

e questi variano tra le diverse cellule.

Per esempio i neuroni e le cellule dei muscoli

esprimono geni diversi, permettendo loro di avere

funzioni specializzate differenti.

Il processo dell'espressione genica

inizia con la trascrizione,

quando il DNA fa da stampo alla sintesi dell'RNA.

L'RNA trascritto va incontro allo splicing,

la rimozione delle sequenze di introni non codificanti,

per mantenere gli esoni codificanti.

Il risultato finale è l'RNA messaggero, mRNA,

che viaggia fino al ribosoma nelle cellule eucariotiche.

Qui l'RNA transfer, tRNA,

traduce il codone di tre nucleotidi dell'mRNA

in una sequenza di aminoacidi.

La catena polipeptidica risultante

di solito affronta ulteriori modificazioni

per diventare una proteina funzionale.

L'espressione genica può essere regolata

in qualsiasi punto di questo processo.

Per esempio le modificazioni epigenetiche

che alterano la struttura della molecola di DNA

senza cambiarne la sequenza

possono inibire o promuovere la trascrizione

di determinati geni.

Inoltre, dopo la trascrizione di un gene,

la traduzione può essere inibita

per esempio da piccoli RNA regolatori,

che impediscono al gene di essere espresso in proteina.